Перспективы радиоастрономии

Радиоастрономия — это астрономия, которая изучает Вселенную в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Это единственные волны электромагнитного спектра, размер которых можно показать руками. Радиоволны имеют длину от десятков и сотен метров до миллиметров. Получается, что все, что длиннее нескольких миллиметров, — это радиодиапазон электромагнитного спектра.

Говорят, что радиоастрономов не более 10% от общего количества астрономов на Земле. При этом радиоастрономия все еще держит рекорд по количеству Нобелевских премий из всех, которые были даны за результаты, полученные в области астрономии. Радиоастрономия началась с 1930-х годов с радиоинженера Карла Янского. По просьбе лаборатории Bell он исследовал вопросы распространения радиоволн в атмосфере Земли и впервые увидел излучение, приходящее из космоса от центра нашей Галактики. Первым радиоастрономом был астроном-любитель Грот Ребер. Он построил первый радиотелескоп, который выглядел как радиоантенна, в виде тарелки, у себя на заднем дворе дома за свои собственные деньги. Он смог построить первую радиокарту неба.

Бурное развитие радиоастрономии произошло после Второй мировой войны благодаря развитию радарных технологий. Многие могут не знать, но астрономия вообще и радиоастрономия в частности действительно полезны для народного хозяйства. Практически каждый из нас использует результаты, которые были достигнуты радиоастрономами. Например, задачи глобального позиционирования. Самолеты, поезда, автобусы, мы со своими смартфонами в руках постоянно используем систему глобального позиционирования, ГЛОНАСС или GPS. Системам глобального позиционирования, для того чтобы выдавать необходимые данные, надо знать с высокой точностью параметры вращения Земли, истинную длительность земных суток, а также параметры нутации оси вращения Земли, движения оси вращения Земли по небу. И параметры вращения Земли для вас не реже чем раз в несколько дней измеряют радиоастрономы, используя радиоинтерферометры, телескопы, которые разбросаны по поверхности Земли. Например, система ГЛОНАСС поддерживается Институтом прикладной астрономии со своей системой «Квазар-КВО» (Квазар координатно-временное обеспечение) — это система из трех телескопов. То же самое делают американские телескопы для GPS.

Кроме этого, практически никто не ожидает услышать, что Wi-Fi мы обязаны черным дырам и радиоастрономам. Несколько десятков лет назад наши нидерландские коллеги на интерферометре, который находится в деревеньке Вестерборк, искали радиовспышки на небе, которые были предсказаны теоретиками, исследовавшими черные дыры. Не буду утаивать: радиовспышки они не нашли. Однако в процессе работы им нужно было решить тяжелую задачу восстановления фазового фронта сигнала, который достигает радиотелескопы и портится при прохождении через турбулентную атмосферу Земли. Один из инженеров, который работал над этим в Нидерландах, позже переехал в Австралию и использовал свои наработки, для того чтобы решить проблемы, связанные с реализацией Wi-Fi, а именно проблему множественных переотражений радиоволн между стенами помещений, в которых работает Wi-Fi. Он применил ту же самую идею, те же самые технологии. Благодаря этому сегодня мы все пользуемся Wi-Fi. А организация, в которой он работает в Австралии, имеет ежегодно миллиардные отчисления.

Развитие любой экспериментальной науки неразрывно связано с развитием техники, и радиоастрономия не исключение. На сегодняшний день наиболее важным для нас является развитие следующих моментов. Во-первых, мы получили намного более быстрые и производительные компьютеры. Во-вторых, детекторы, которые мы используем, стали не только более чувствительными, но и значительно более дешевыми, поэтому мы можем их штамповать и использовать тысячами. В-третьих, системы обработки и записи данных ускорились на много порядков. Благодаря этому мы можем уходить на короткие миллиметровые волны — диапазон, в котором раньше нам было тяжело работать.

С другой стороны, мы можем увеличивать чувствительность наших систем на сантиметровых и миллиметровых длинах волн. И мы можем искать очень кратковременные события, которые происходят на небе. К чему это приводит с точки зрения науки? На коротких миллиметровых волнах мы можем строить интерферометры, которые не боятся поглощения и рассеяния радиоволн, идущих к нам из космоса. Благодаря этому мы можем быстро подойти к задаче поиска черных дыр.

Достаточно большое количество лет прошло с того момента, как был введен в эксплуатацию миллиметровый телескоп, который называется ALMA. Он находится на высоте примерно 5 тысяч километров в Чили. Этот телескоп на сегодняшний день является наиболее чувствительным элементом мирового наземного интерферометра, который работает на длине волны 1,3 миллиметра и пытается увидеть черную дыру в центре нашей Галактики, а также в центре галактики Дева А. Благодаря тому, что длины волн очень короткие, мы надеемся, что нам удастся увидеть тень черной дыры, темное пятнышко, которое окружено ореолом из светящегося вещества.

Подобный телескоп, который называется «Телескоп горизонта событий», работает уже значительное количество лет, однако впервые весной 2017 года в его работу включился чувствительный телескоп, который называется ALMA. Благодаря ему чувствительность всего наземного интерферометра в разы увеличилась, и у ученых есть большая надежда наконец-то увидеть тень черной дыры. В апреле 2019 года мы ожидаем объявления о результатах наблюдений этого проекта. Мы надеемся, что следующим шагом будет проект наземно-космического интерферометра «Миллиметрон», который тоже будет работать на миллиметровой длине волн и позволит в подробностях изучать свойства черной дыры как в центре нашей Галактики, так и в центрах других галактик.

Технологии, позволяющие дешево произвести большое количество детекторов, а также с громадной скоростью оцифровывать, анализировать и записывать результаты, позволили в последнее время сделать прорыв в исследовании быстро меняющихся явлений во Вселенной. В области радиоастрономии в настоящий момент большими темпами развивается направление, связанное с изучением коротких, миллисекундных радиовспышек во Вселенной. Еще год назад, в начале 2018 года, было справедливым утверждение, что количество теоретических моделей, которые объясняют эти эффекты, больше, чем количество зарегистрированных вспышек.

Мы до сих пор не разобрались, что же собой представляют быстрые радиовсплески, однако благодаря развитию технологии их количество в конце 2018-го — начале 2019 года все-таки превысило количество моделей. Потому что мы успели построить новые телескопы, которые одновременно могут наблюдать и оцифровывать громадный участок неба.

Следующим шагом в этом направлении является проект Square Kilometre Array — телескоп размером с квадратный километр. Он будет построен в Австралии и Африке и будет решать целый ряд новых, прорывных задач. На длинных радиоволнах он будет строить трехмерную карту распределения водорода во Вселенной. Нейтральный водород излучает длину волны 21 сантиметр, поэтому чем он дальше находится от нас, тем большее красное смещение он получает. Построение трехмерной карты нейтрального водорода во Вселенной позволит ответить на вопросы о природе темной энергии, о причинах того, почему наша Вселенная расширяется с ускорением и как же она зарождалась.

Другое направление, которое удастся развить с помощью телескопа SKA, — это использование пульсаров для детектирования гравитационных волн. Мы фактически будем с Земли наблюдать многие пульсары и сможем детектировать прохождение гравитационных волн как через сами пульсары, так и через планету Земля как пробное тело, находящееся во Вселенной. Может быть, нам даже удастся уточнить общую теорию относительности Эйнштейна, лучше поняв, как работает гравитация.

Завершить рассказ про Square Kilometre Array я хотел бы, отметив то, что одним из научных направлений SKA является поиск жизни во Вселенной — поиск излучения сложных молекул, которые участвуют на далеких планетах в формировании биологически активной жизни, так и возможных искусственных сигналов, которые может генерить в результате своей жизнедеятельности уже достаточно развитый разум.